用最小量冷却液法钻削航空铝-钛多层复合板.doc

用最小量冷却液法钻削航空铝-钛多层复合板 摘要：介绍了汉堡工业大学采用最小冷却渡法钻削多种复合板的研究结果。研究表明，在钻削铝、钛多层复合板时，钻削钛板切屑的摩擦磨损作用，会导致铝板的孔呈喇叭形，孔径波动幅度和平均孔径值增大并可能超出允差。试验采用了最小量冷却液技术，所用的3种冷却液对钻削孔径影响不太。使用涂层刀具加工时，钻削孔径同进给速度呈正比。钻头顶角越太，铝板的孔径越大，但钛扳的孔径不变。为保证加工孔径质量，采用退刀排屑和扩孔方式加工，减小刃带宽度，增大进给前角和使用阶梯钻头。前言随着空中客车飞机新机型的出现，使用铝合金材料制造飞机机身的比例不断下降。在对材料强度要求高的地方，已经用钛合金和合金钢代替铝合金。为降低飞机重量，提高飞行经济性，纤维增强复合材料的使用比例在上升。对于复合板构件而言，首先是选用钛合金和铝合金复合板，因为这样可以以最小的构件厚度获得最高的强度。在如机舱门等特殊结构处，也使用合金钢板，典型的是用Cr-Ni合金钢板。复合板件的数量和厚度等必须满足承载需求。这类复合板具有复合材料和连接材料的特性，也给加工带来了很大的问题。因为首先要对飞机机身上的这些复合板钻孔，然后再用铆钉将其联接起来。复合板在不同部位的层数(厚度)是不同的，因此可加工性也是不同的，但要求尽可能在一道加工工序中用一把钻头完成加工，这对钻头材料及其润滑形式提出了一个很高的要求。显然，对大构件机身而言，普通润滑方式是不适用的，应采用一种最小量冷却液(MMS)技术进行加工。有关铝-钛合金复台板加工和铁合金的干切削加工方面的研究报道很少。在加工铝-钛合金复合板时，通过优选刀具材料、刀具几何参数和切削加工参数等，可提高切削效率。加工这种材料时，锋利又未折断的钛合金切屑会粘在刀具表面，使得铝合金板上孔径增大。对铝合金的干切削加工研究主要集中在铣削加工方面。使用MMS技术已成功地钻削过共晶铝合金。钻削变形铝合金时也可使用MMS法；在完全干式钻削铝合金深孔时，铝合金强烈的粘附作用会使刀具寿命迅速降低。使用MMS法和硬质合金钻头钻削TiAlV时，钻孔速度可由平时的vc=15～30m/min提高到vc=50m/min或更高，但会出现严重的排屑问题，且因温度过高出现切屑着火现象，因此需要增加一个缓冲切削循环。若采用高压冷却，可实现vc=90m/min的切削速度。本文介绍了在汉堡工业大学切削加工研究所根据Airbus的要求，对铝-钛合金复合板的钻削加工进行的系列研究中，不同加工工艺对钻削孔质量的影响。1 试验试验使用了4种结构的铝钛复合板，铝板材料为铝变形合金3.1364 T351(4.4%Cu-1.5%Mg-0.6%Mn)；钛板材料为钛合金3.716411(6%Al-4%V)。铝钛复合板分别标记为Al-Ti(4.5mm铝板+1.2mm钛板)、Al-A1+3×2Ti(6衄铝板+4mm铝板+3层2蛐钛板1、A1.Al+5×2Ti(6mm铝板+6mm铝板+5层2mm钛板)、Al-Al+8×2Ti(6mm铝板+2mm铝板+8层2mm钛板)。一般使用Ø4.8～6.3mm的粉末冶金硬质合金(VHM)钻头，牌号K40和K30F(细晶)；作为比较也使用含钴高速钢麻花钻头(HSS-E 1.3243)。另外还使用涂层刀具(TiCN，TiAlN)。试验在F.Deckel Type FP3A CNC钻铣机床上进行。使用了无毒无刺激性冷却液，包括脂肪醇产品A(良好生物降解)和产品B(快速生物降解)以及一种脂肪酸酯(完全生物降解)。采用干式切削的MMS法钻削，雾化后的冷却液再同压缩空气混合，从外部喷向钻头。最小量冷却液供给装置为Rexim Typ31105。喷嘴与刀具相距约30mm，喷嘴直径比钻头直径要大，大约有30%的冷却液喷到了钻头。用内径侧量仪测量不同板的孔径。 2 试验结果与分析2.1 钻削铝-钛复合板的孔径在对Al-Al+3×2Ti进行钻削时，发现第1块Al板的孔径比第2块Al板的直径小，但均大于钛合金板的孔径，铝板孔的内表面呈不平滑状。为了找出其原因，分别测量了单独钻削铝扳复合板、钛板复合板和Al-Al+5×2Ti复合板的孔径。可以看出，在对铝-钛复合板进行钻削时，铝板的孔径比钛板的孔径大，并且超出了公差许可；但在单独钻削铝板或钛板时，各块板的孔径均在允差范围内。钻削铝-钛合金的切屑形态。钛台金切屑不易分类，大致呈不规则连续锯齿形，这是由不均匀塑性变形、周期性挤压和局部剪切变形所致。钛合金切屑的摩擦是产生铝-钛合金孔径超差的根本原因。试验发现，Ⅰ型切屑较少，Ⅱ型和Ⅲ型钛合金切屑对铝板的孔径影响最大。因此，控制钛合金的切屑流出量及切屑形态，是提高复合板孔径质量的主要方法。2.2影响铝-钛复台板钻孔孔径的主要因素不同冷却液对孔径的影响对厚度相对小的铝-钛合金进行冷